周立初
, 蒋建清
ZHOU Lichu, JIANG Jianqing
中图分类号: TG142
通讯作者:
收稿日期: 2013-12-4
修回日期: 2014-05-8
网络出版日期: --
版权声明: 2014 《材料研究学报》编辑部 版权所有 2014, 材料研究学报编辑部。使用时，请务必标明出处。
基金资助:
作者简介:
展开
摘要
采用电子背散射衍射技术(EBSD)研究了冷拔钢丝的织构及奥氏体化热处理后积构的分布, 并结合组织形貌的变化研究了冷拔钢丝奥氏体化过程对织构再分布的影响。结果表明: 拉拔形变钢丝中珠光体片层转向平行于拉拔轴向排列, 形成铁素体<110>丝织构, 随着应变量的上升<110>丝织构强度上升。奥氏体化热处理后等轴状珠光体组织保留了部分铁素体<110>丝织构, 其织构强度随原应变量增大而上升。随着奥氏体化温度的上升, 保留的铁素体<110>丝织构强度下降; 随着热处理时间的延长, 其强度下降。应变量为2.2的钢丝在850℃保温80 min后仍然保留有较强的<110>丝织构。
关键词：
Abstract
Microstructure and texture of the as-drawn and the as annealed pearlitic steel wires were characterized by using SEM ( scanning electron microscopy) and EBSD ( electron backscatter diffraction) to reveal the effect of austenitizing process on the texture redistribution of the cold drawn pearlitic steel wire. The results show that the lamellar structure of the as-drawn pearlite steel wire turns to parallel to the drawing direction, forming ferrite <110> fiber texture. The intensity of the <110> texture rises with the rising strain of steel wires. After austenitizing heat treatment, the ferrite <110> fiber texture still remains in the wire, of which the intensity corresponds to the strain value of the as drawn wire. With the increasing of austenitizing temperature and time, the intensity of the ferrite <110> texture decreases. The ferrite <110> texture remains in the wire which has been cold drawn up to a strain value 2.2 and then annealed at 850℃ for 80 min.
Keywords：
冷拉拔珠光体钢丝具有高强度和较好的韧性, 得到了广泛的应用[1]。珠光体钢在冷拉拔形变中强度急剧升高[2], 珠光体组织发生扭转变形, 渗碳体也变形并分解[3, 4]。同时, 珠光体中的铁素体还形成强的<110>丝织构[5, 6], 影响了钢丝的加工硬化规律[7, 8]。在工业生产中, 部分高强度钢丝, 需进行预先冷拉拔, 完全奥氏体化热处理后再等温转变恢复等轴状珠光体组织, 再进行冷拉拔变形。在冷形变钢丝的生产过程中热处理条件对钢丝的组织性能影响很大, 短时间的镀锌处理即可使钢丝的抗拉强度、扭转性能发生较大的变化[9]; 热处理条件也影响冷拔钢丝的织构状况[10, 11], 冷拔珠光体钢丝在奥氏体相区以下经等温退火后<110>丝织构强度有所下降。经历了两次晶体学结构变化、碳重新分布的奥氏体化热处理后, 冷拔珠光体钢丝的<110>丝织构会如何分布、是否会产生类似于低碳钢板织构在经历α-γ-α相变后织构遗传的现象[12-15]? 本文围绕形变珠光体钢丝的奥氏体化热处理过程中铁素体<110>丝织构的演变, 研究奥氏体化温度、奥氏体化时间及钢丝原始应变量对于冷拉拔珠光体钢丝铁素体织构再分布的影响规律, 并探究奥氏体化热处理后的珠光体钢丝的织构状况。
试验材料为SWRS82B盘条, 将其酸洗磷化[16]处理后经平均道次压缩率为13%的多道次拉拔, 制成不同尺寸的钢丝; 其化学成分列于表1, 不同钢丝试样的规格列于表2。
表1 SWRS82B的化学成分(%, 质量分数)
Table 1 Composition analysis of experimental steels (%, mass fraction)
| C | Si | Mn | Cr | V | Ti | S | Fe |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.83 | 0.3 | 0.71 | 0.19 | 0.07 | 0.03 | 0.003 | Bal. |
表2 钢丝试样
Table 2 Steel wire samples
| No. | Diameter/mm | Ture strain | Area reduction/% |
|---|---|---|---|
| 1 | 12 | 0 | 0 |
| 2 | 7.15 | 1.04 | 64.5 |
| 3 | 5.5 | 1.56 | 79.0 |
| 4 | 4.5 | 1.96 | 85.9 |
| 5 | 4.0 | 2.20 | 88.9 |
不同钢丝试样的热处理过程, 均先在高温进行奥氏体化处理, 后于550℃盐浴等温淬火5 min后空冷。奥氏体化温度分别为790、820、850、880℃, 奥氏体化保温时间分别为10、20、40、80 min。热处理完成后得到钢丝样品, 截取纵截面样品机械抛光后用3%硝酸酒精溶液腐蚀, 以进行SEM组织观察。电子背散射衍射(EBSD)样品用5%高氯酸酒精溶液电解抛光(电压40 V, 电流0.8 A, 时间为20 s)。
使用Sirion场发射扫描电镜及EDAX-TSL公司的电子背散射衍射系统采集试验数据。EBSD信息采集时取钢丝纵截面直径中心处[17], 区域大小约为200 μm×250 μm, 步长约0.2 μm, 使用TSL公司的OIM-Analysis软件分析实验数据。
图1是冷拔钢丝纵截面组织图片与织构信息图, 由图1a和b可知, 未经拉拔的盘条组织为等轴状的珠光体, 随着应变量的增加, 珠光体组织沿轴向拉长, 在大应变量下呈纤维状。由图1c, d可知, 随着钢丝不断拉拔变形, 钢丝中铁素体<110>取向向拉拔轴向集中, <110>织构强度由盘条时的1.3上升到应变量2.2时的7.6, 此时, 铁素体<110>取向集中于拉拔轴方向, 形成强烈的<110>丝织构。
图1 不同应变量钢丝应变量分别为0及2.2样品的纵截面SEM组织图片和织构反极图.
Fig.1 SEM images of samples and images of texture (a) (b) SEM images of samples in the longitudinal section at strain 0 and 2.2; (c)(d) Inverse pole figure of samples at strain 0 and 2.2
体心立方金属的拉伸变形, 开动的滑移系主要是{110}<111>, 钢丝的拉拔过程中, 受外力的作用, 晶体的<110>方向逐渐转到力轴方向, 从而使拉拔形变钢丝产生<110>丝织构。
图2给出了不同的钢丝样品经不同热处理后的组织, 奥氏体化热处理工艺分别为: (a)(b)为应变量1.04和2.2的钢丝经850 ℃保温10 min; (c)(d)为应变量2.2的钢丝样品分别在790 ℃及880 ℃保温10 min; (e)为应变量2.2的钢丝样品经850 ℃保温80 min。高温奥氏体化热处理后均经550 ℃等温淬火5 min后空冷。从图中可见, 经过热处理后钢丝组织均为等轴状珠光体。统计结果表明, 各样品的珠光体片层间距相近。
图2 不同钢丝样品热处理后的纵截面组织SEM图片
Fig.2 SEM images of samples in the longitudinal section (a) ε=1.04, TA=850℃, t=10 min; (b) ε=2.2, TA=850℃, t=10 min; (c) ε=2.2, TA=790 ℃, t=10 min; (d) ε=2.2, TA=880℃, t=10 min; (e) ε=2.2, TA=850℃, t=80 min
图3给出了在850℃保温10 min热处理后, 不同应变量钢丝试样的铁素体织构图。从图3a可以看到, 热处理后得到的珠光体组织中铁素体<110>织构强度明显下降, 钢丝原始应变量越大, 热处理后<110>织构强度越大。从图3b, c可以看到, 热处理后原应变量1.04的钢丝铁素体<110>丝织构强度从3.6下降至1.5, 丝织构保留并不明显; 原应变量2.2的钢丝在热处理后铁素体织构强度为2.2, 存在较为明显的<110>丝织构。随着钢丝应变量的上升冷拔产生的形变织构强度大幅上升, 而钢丝在经热处理后织构强度随应变量上升的幅度较小。
图3 不同应变量钢丝热处理后的织构强度-应变量趋势图和应变量为1.04及2.2样品热处理后的IPF图
Fig.3 Texture images of samples with different drawing strain (a) Texture intensity with the drawing strain; (b) (c) IPF images of samples with strain 1.04 and 2.2 after heat treatment
图4给出了应变量2.2的钢丝试样在不同奥氏体化温度保温10 min后的织构图。从图4a可以看到, 随着奥氏体化温度的升高热处理后<110>织构强度下降。从图4b、c可以看到, 790℃奥氏体化热处理后<110>丝织构强度为2.59, 而880℃奥氏体化热处理后<110>丝织构强度较低, 为2.08。由此可见, 随着奥氏体化温度的上升冷拔形变产生的<110>丝织构保留到新的珠光体中的强度下降较为明显。
图4 钢丝不同温度奥氏体化热处理后的织构强度-奥氏体化温度趋势图以及在790℃、880℃热处理后的IPF图
Fig.4 Texture images of samples austenitizing at different temperature (a) Texture intensity with the austenitizing temperature (b) (c) IPF images of samples austenitizing at 790℃, 880℃
图5给出了应变量2.2的钢丝在850 ℃保温不同时间后的织构图。从图5(a)可以看到, 热处理保温时间较短时, <110>织构保留较多, 丝织构明显, 随着保温时间的延长<110>织构强度有所下降。图5b与c的对比表明, 短时间奥氏体化保温, <110>丝织构保留明显, 80 min保温后, 虽然依旧存在<110>丝织构, 但织构强度较短时间保温的样品已下降较多, 织构逐渐弥散。
图5 不同奥氏体化保温时间热处理后钢丝的织构强度-奥氏体化时间趋势图和奥氏体化保温10 min和80 min后的IPF图
Fig.5 Texture images of samples with different holding time (a) Texture intensity with the holding time; (b) (c) IPF images of samples treated for 10 min and 80 min
冷拔形变使珠光体钢丝组织纤维化, 同时其中铁素体产生了强的<110>丝织构。对冷拔形变珠光体钢丝进行完全奥氏体化再等温转变的热处理后, 其纤维状组织特征消失, 得到了等轴状珠光体组织; <110>丝织构部分保留, 但强度下降较为明显; 而钢丝样品应变量、热处理条件与保留的<110>丝织构强度有着密切的联系, 随着应变量的上升保留的<110>丝织构强度小幅上升, 而随着奥氏体化温度的上升、奥氏体化保温时间的延长保留的<110>丝织构强度缓慢下降, 织构呈现弥散的趋势。
现有的理论研究表明[18]: 在铁素体向奥氏体相变的过程中, 为了降低新相形核的表面能, 奥氏体与铁素体之间的取向关系服从K-S关系: {011}a//{111}γ; <111>a//<101>γ, 故在珠光体→奥氏体转变后珠光体中铁素体的织构通过一定的晶体学关系得以遗传, 部分保留到奥氏体中, 奥氏体形成相应的织构; 在奥氏体-珠光体相变时, 又通过奥氏体与铁素体的K-S关系使奥氏体的织构进一步遗传到新珠光体的铁素体中。故在珠光体→奥氏体→珠光体的相变过程中原珠光体中铁素体的<110>丝织构以这种相变过程中的晶体学关系经历了两次遗传, 最终部分保留到新珠光体中。对α→γ→α相变的相关研究工作[12-14]也发现, 根据K-S关系可有效预测α相冷轧织构按照一定比例遗传到相变后的α相中, 且新相产生在两个取向相近的母相晶界上时晶体学取向遗传概率更大。在本文的实验中, 原应变量更大的冷拔钢丝织构更强, 取向更接近, 因此在热处理保留的织构更多。即原应变量越大, 在热处理后<110>织构强度越大。而随着奥氏体化温度的上升过热度变大, 形核驱动力增强, “K-S”关系作用弱化, 因此热处理温度升高, <110>织构强度下降。随着奥氏体化保温时间的延长奥氏体晶粒长大, 相近取向的奥氏体晶界总面积减少, γ→α相变过程中织构保留比例减少, 因此<110>织构强度随热处理保温时间延长而下降。
同时注意到, 冷轧低碳钢在经历了完全奥氏体化热处理后[15]形变织构保留的比例明显高于本试验中的珠光体钢丝。这与高碳珠光体本身以及珠光体向奥氏体相变的一些特点有关。珠光体向奥氏体相变时形核于铁素体/渗碳体界面处, 从而降低了相变过程中奥氏体保留铁素体织构的可能性; 由于剧烈的塑性变形, 冷拔珠光体钢丝中的渗碳体/铁素体界面呈现出非晶态[3], 界面能极高。这些界面能在相变过程中的释放提高了形核驱动力, 进一步弱化了K-S关系。所以在本实验中, 随着冷拔钢丝的应变量的上升铁素体<110>丝织构强度大幅上升, 但是奥氏体化热处理后不同原始应变量样品保留的织构强度均较小, 且仅呈现小幅上升的趋势。
形变珠光体钢丝经历了奥氏体化热处理后保留了部分<110>丝织构。织构, 这种形变组织的特征存在于未形变组织中, 其是否会影响珠光体钢丝的后续拉拔性能有待进一步的研究。
1. 在冷拔珠光体钢丝中珠光体片层转向平行于拉拔轴向, 形成<110>丝织构, 并随着应变量的上升织构强度上升。
2. 奥氏体化热处理后钢丝样品的组织为等轴状珠光体, 形变钢丝的<110>织构部分保留。钢丝原应变量越大, 热处理后样品<110>织构强度越高。随着奥氏体化温度的升高热处理后样品<110>织构强度下降, 随着奥氏体化保温时间的延长<110>织构强度缓慢降低。
/
| 〈 |
|
〉 |
